Катионирование

В процессе водоподготовки применяется один из основных процессов для удаления из воды примесей - катионирование. Существуют H - катионирование и Na - катионирование. Na - катионирование имеет самостоятельное значение, как процесс и используется для умягчения воды при водоподготовке. H - катионирование, как процесс используется в обессоливании воды. Процесс использования катионита при Na - катионировании и H - катионировании на установках водоподготовки протекает в насыпных ионитных фильтрах раздельного и смешанного действия.

Умягчение Na+ - катионированием

Основными уравнениями натрий-катионирования для кальциевых и магниевых солей жесткости являются:

Са(НСО3)2 + 2NaR = СаR2 + 2NaНСО3

CaSO4 + 2NaR = СаR2 + NaSO4

CaCl2 + 2NaR = СаR2 + 2NaCl

Mg (HCO3)2 + 2NaR = MgR2 + 2NaНСО3

MgSO4 + 2NaR = MgR2 + NaSO4

MgCl2 + 2NaR = MgR2 + 2NaCl,

Где R – полианион катионита. В уравнении R представлен однозарядным лишь формально, для упрощения записи. Фактически полианион катионита имеет потенциальное число зарядов, равное числу его функциональных групп и эквивалентно выражаемое через ПДОЕ отнесенное к объему любого зерна катионита.

В процессе натрий-катионирования общее солесодержание воды не уменьшается, оставаясь эквивалентным исходному, а в весовых единицах даже несколько увеличивается, но качественный состав солей совершенно изменяется потому, что катионы жесткости (Са2+ и Mg2+) оказываются задержанными на катионите.

Н–Na – катионирование в процессе умягчения воды

При Н – катионировании ионитовые фильтры загружаются катионитом уже не в Na+ - форме, а в Н+ - форме. Соответственно уравнения ионного обмена наиболее часто содержащихся в воде солей примут следующий вид:

Са(НСО3)2 + 2НR = СаR2 + 2СО2 + 2Н2О

CaSO4 + 2НR = СаR2 + Н2SO4

CaCl2 + 2НR = СаR2 + 2НCl

Mg (HCO3)2 + 2НR = MgR3 + 2СО2 + Н2О

MgSO4 + 2НR = MgR2 + Н2SO4

MgCl2 + 2НR = MgR2 + 2НCl,

NaНСО3 + НCl = NaR + СО2 + 2Н2О

NaSO4 + 2НR = NаR + Н2SO4

NaCl + НR = NаR + НCl

В первой части приведенных уравнений видно, что не только катионы жесткости (Са+ и Mg2+), но и другие катионы (Na+) оказались поглощенными катионитом. Произошло полное превращение солей в кислоты. В присутствии сильных кислот (NaSO4 и НCl) бикарбонатные ионы не могут существовать: происходит их превращение в углекислый газ и воду, что приводит к полному уничтожению щелочности воды, но вода, содержащая кислоты, непригодна для использования. На практике процессом Н+ -катионирование пользуются в комбинированном процессе Н+-Na+ - катионирования, сущность которого заключается в следующем: часть потока воды обрабатывают по способу Н+-катионирования, а другую по способу Nа+-катионирования. При этом вода от первого процесса приобретает сильные кислоты, которые могут нейтрализовать излишнюю щелочность Na+ катионированной воды.

В процессе Н+-катионирования разрушаются бикарбонаты, выделяется углекислый газ (СО2), и воду необходимо декарбонизировать, т.е. удалить углекислоту в аппаратах с насадкой, называемых декарбонизаторами, путем продувания воды в противотоке воздухом.

Практически комбинированное умягчение проводят по одной из трех возможных к применению схем: параллельной, совместной и последовательной.

При параллельном умягчении вода делится на два потока, один из которых пропускается через Н+ - катионитовые фильтры, а второй – через Na+ - катионитовые фильтры. После этого оба потока объединяются; при этом, подкисленная вода Н+ - катионового фильтра нейтрализует щелочность Na+ - катионированного фильтра по схеме

НХ + NaНСО3 = NaХ + СО2 + Н2О

Вода проходит декарбонизатор, в котором отделяется и эвакуируется углекислый газ путем продувания воздухом. Применение декарбонизатора приводит к разрыву струи, а потому за декарбонизатором устанавливается насос, который прокачивает декарбонизированную и нейтрализованную воду через барьерный Na+ - катионитовый фильтр для улавливания проскока жесткости и для выравнивания колебаний величины рН смешанного потока очищаемой воды. В случае излишне пониженного рН воды происходит удержание на катионите Н+ ионов и обмен их на Na ионы, т.е. повышение рН. При повышенном рН, которое после Na+ - катионирования может быть только за счет NaOH, происходит переход в воду задержанных ранее катионитом Н+ ионов и задержка на ионите Na+ катионов, т.е. происходит ликвидация излишней щелочности.

Совместное Н+ - Na+ катионирование производят без деления воды на два потока; всю воду пропускают через один фильтр, который своеобразно регенерирован, а именно: сначала катионит обрабатывается кислотой, т.е. переводится в Н+ - форму, затем через фильтр пропускается раствор поваренной соли (NaCl) в количестве, недостаточном для перевода всего катионита в Na+ форму. Такое превращение получает лишь часть (верхний слой) загрузки. Тогда процессы, происходящие при параллельном умягчении после смешения двух потоков, завершаются в одном фильтре, как в данном случае. Однако по этому способу происходят колебания величины щелочности вследствие неравномерного (и не одинакового после каждой регенерации) распределения Na+ и Н+ - формы катионита по высоте загрузки.

В соответствии с требованиями необходимо поддерживать щелочность фильтрата на уровне 0,2 – 0,3 мг-экв/л в целях предупреждения коррозии. Средняя щелочность воды, получаемой (за цикл) по этому способу, несколько выше нормы, и находится на уровне ~ 1мг-экв/л. Для завершения умягчения воды, как и по предыдущему способу, вода пропускается через декарбонизатор и Na+ - катионитовый барьерный фильтр.

Последовательное умягчение с помощью Н+ - Na+ -катионирования осуществляется путем пропускания части воды через Н+ - катионитовый фильтр, затем Na+ - катионированную воду смешивают в смесителе с остальной частью воды, при этом, происходит нейтрализация приобретенной при Н+ катионировании кислотности за счет щелочности второй части воды. Как уже известно из предыдущего материала, в этих условиях из воды должен выделится углекислый газ (СО2) и, следовательно, для его отделения воду направляют в декарбонизатор, где воздухом производят отдувку углекислого газа. После этого осуществляется умягчение всей воды на Na+ -катионитовом фильтре, а затем ее пропускают через барьерный Na+ -катионитовый фильтр второй ступени.

Ренегерация Na+ - катионитовых фильтров

Регенерацию Na+ - катионитовых фильтров производят 6 – 8% водным раствором поваренной соли (NaCl). При этом, расход соли при умягчении вод с содержанием сухого остатка до 800 мг/л находится в пределах 2,6 -–3,5 г-экв/г-экв регенерируемой обменной емкости. При умягчении вод с содержанием сухого остатка выше 800 мг/л допускается увеличенный расзод соли на регенерацию от 4,0 – 4,5 г-экв/г-экв.

В целях уменьшения удельного расхода соли при регенерации иногда практикуют первцю половину расходного колличества соли пропускать в виде 2 – 3%-го раствора, а вторую половину – в виде 6 – 7%-го раствора.

Скорости регенерирующих растворов обычно выдерживают на уровне 7 – 10 м/ч. после регенерации обычно следует отмывка катионита от избытка солевого раствора, оставшегося после регенерации между зернами. Полноту отмывки контролируют по содержанию хлор-ионов в отмывочной воде.

Регенерация Н+ - катионитовых фильтров

Регенерация Н+ - катионитовых фильтров (в системе Н+ - Na+ - катионирования) осуществляется 1,5 – 2% водным раствором серной кислоты (наиболее дешевая); более концентрированные растворы могут привести к загипсовыванию загрузки фильтров вследствие отложения кристаллов CaSО4. Удельный расход кислоты может составлять от 1,3 – 3,5 г-экв/г-экв. Скорость пропускания регенерирующего раствора рекомендуется выдерживать в пределах 8 – 10 м/ч. Благоприятной температурой регенерации следует считать 25 – 350С.

После того, как закончится пропускание раствора кислоты, следует начать отмывку катионита водой от избытка кислоты с той же скоростью пропускания отмывочной воды, это приводит к некоторому увеличению времени регенераации, на зато позволяет достичь снижения расхода отмывочной воды. Первые порции отмывочной воды, содержащие соли жесткости, можно спускать в нейтрализатор ии в канализацию (~ 10 мин), остальную воду полезно сбрасывать в бак в целях дальнешего использования для приготовления растворов кислоты в последующие регенерации.

Применение Н+ - катионирования требует сложной аппаратуры, выполненной в кислотостойком исполнении. Кроме того, возникает задача нейтрализации кислотных стоков от избытков кислоты при регенерации.

Билет 12

Ионитное обессоливание воды

Иониты – практически нерастворимые высокомолекулярные вещества, способные к реакциям ионного обмена. Ионитное обессоливание воды – процесс последовательного фильтрования обрабатываемой воды через слои катионита и анионита, во время которого содержащиеся в обрабатываемой воде катионы обмениваются на катион Н+, содержащийся в катионите, а содержащиеся в обрабатываемой воде анионы обмениваются на анионы OH-, CO3-2, HCO3-, содержащиеся в анионите и образующие с атионом H+ воду или свободную углекислоту. Глубокое обессоливание воды предусматривает две ступени H-OH- ионирования воды (двухступенчатое катионирование и двухступенчатое анионирование воды с промежуточной декарбонизацией).

Н-ОН ИОНИРОВАНИЕ

ПРИНЦИП  ДЕЙСТВИЯ: Обессоливание воды ионитами основано на замене ионов солей на ионы водорода и гидроксила. Затем ионы водорода и гидроксила соединяются, образуя воду. Существует два вида ионитов - катиониты и аниониты. Каждый из этих видов имеет подвиды, различающиеся по видам извлекаемых ионов (сильно- и слабокислотные катиониты, сильно- и слабоосновные аниониты). Из фильтров с ионитами составляются различные схемы водоподготовки в зависимости от качества исходной воды и поставленной цели. Регенерация фильтров ведется кислотой и щелочью. Часто в схемах с ионитами присутствует декарбонизатор для снижения щелочности воы. СОСТАВНЫЕ ЧАСТИ: Система обессоливания ионитовая состоит из емкостей цилиндрического типа с дренажной системой щелевого типа, заполненных ионообменными смолами. Через слой этих смол пропускается с определенной скоростью исходная вода.  Для управления системой и распределения потоков используются чаще всего многоходовые управляющие вентили либо клапанная система с контроллерами.  Растворы регенерантов готовятся в отдельных емкостях.  Применяется также система нейтрализации стоков.

Билет 13

Рис. 2-10. Схемы частичного химического обессоливания. 1 — вода из поверхностных источников водоснабжения; 2 — предочистка с известкованием; 3 — известкованная осветленная вода; 4 — водород-катионитный фильтр; 5 — анионитный фильтр; б — обессоленная вода; 7 — вода артезианская или из питьевого водопровода; 8 — декарбонизатор; 9 — вентилятор к декарбонизатору; 10 — бак декарбонизированной воды; 11 — насос декарбонизированной воды; 12 — водород-катионитный фильтр первой ступени; 13 — водород-катионитыый фильтр второй ступени.

Система глубокого обессоливания воды на противоточных н-он-ионитных фильтрах

На фиг.1 в качестве одного из примеров реализации изобретения схематически изображена система глубокого обессоливания воды Н-ОН-ионитными фильтрами, в состав предочистки которой, кроме осветлителя и механического фильтра, предусмотрен H-Na-катионитный фильтр; на фиг.2 в качестве другого примера применительно к исходной воде с высоким содержанием органических соединений и с низким содержанием катионов жесткости - система, в которой в состав предочистки включен Cl-анионитный фильтр; на фиг.3 в качестве другого примера реализации изобретения применительно к воде с повышенным содержанием катионов жесткости и органических соединений - система, в которой в состав предочистки последовательно с H-Na-катионитным фильтром включен Cl-анионитный фильтр для удаления органических веществ; на фиг.4 в качестве еще одного примера реализации изобретения применительно к исходной воде аналогичного качества, что и на фиг.3 - система, в составе предочистки которой предусмотрен H-Na-Cl-ионитный фильтр.

Система глубокого обессоливания воды согласно изобретению содержит последовательно включенные установку осветления (предочистку) (ПО) 1 с осветлителем (О) 1.1, механическим фильтром 1.2 и линией 1.3 осветленной воды, а также установку химического обессоливания (ХОУ) 2 осветленной воды на противоточных Н-катионитном фильтре (Н) 2.1 и ОН-анионитном фильтре (ОН) 2.2 с декарбонизатором (Д) 2.3 между ними, линиями 2.4, 2.5 подвода свежих регенерационных растворов соответственно кислоты и щелочи и линиями 2.6, 2.7 отвода соответствующих отработанных регенерационных растворов. В состав ПО 1 на линии 1.3 осветленной воды (перед ХОУ 2) дополнительно включены H-Na-катионитный фильтр (HNa) 1.4 (фиг.1, 3), Cl-анионитный фильтр (Cl) 1.6 (фиг.2, 3) или H-Na-Cl-ионитный фильтр (HNaCI) 1.5 (фиг.4). При этом линия 2.6 отработанного регенерационного раствора Н-катионитного фильтра 2.1 ХОУ 2 подключена к H-Na-катионитному фильтру 1.4 или H-Na-Cl-ионитному фильтру 1.5, а линия 2.7 отработанного раствора ОН-анионитного фильтра 2.2 - к Cl-анионитному фильтру 1.6 или H-Na-Cl-ионитному фильтру 1.5.

Система согласно изобретению работает следующим образом. Исходная вода предварительно подается в ПО 1, где последовательно проходит осветлитель О1.1, механический фильтр (М) 1.2, H-Na-катионитный фильтр 1.4 (фиг.1, 3) и/или Cl-анионитный фильтр 1.6 (фиг.2, 3) или H-Na-Cl-ионитный фильтр 1.5 (фиг.3). Глубоко очищенная от взвешенных веществ, умягченная вода (фиг.1), очищенная от органических веществ (фиг.2), умягченная и дополнительно очищенная от органических веществ (фиг.3, 4), подается на ХОУ 2, работающую на Н-ОН-фильтрах 2.1, 2.2, между которыми она проходит декарбонизацию в декарбонизаторе Д 2.3. Для регенерации в Н-катионитный фильтр 2.1 по линии 2.4 подается серная кислота, а в ОН-анионитный фильтр 2.2 по линии 2.7 - едкий натр. Отработанный раствор от Н-катионитного фильтра 2.1 подается по линии 2.6 на регенерацию Н-Na-катионитного фильтра 1.4 (фиг.1, 3) или на регенерацию H-Na-Cl-ионитного фильтра 1.5 (фиг.4). Отработанный раствор из ОН-ионитного фильтра 2.2 подается по линии 2.7 на регенерацию Cl-анионитного фильтра 1.6 (фиг.2, 3) или на регенерацию H-Na-Cl-ионитного фильтра 1.5 (фиг.4).

Пример. Исходная вода после обработки в осветлителе О1.1 сернокислым алюминием и осветления на механическом фильтре М 1.2 (фиг.3) поступает на H-Na-катионирование на фильтре 1.4, загруженном слабо- и сильнокислотным катионитами (МАС-3 и КУ-2-8), а затем на Cl-анионирование на фильтре 1.6, загруженном органопоглощающим анионитом (Marathon 11). Далее глубоко очищенная от взвешенных и органических веществ, железа и алюминия, умягченная вода подается на ХОУ 2 с противоточными Н-ОН-фильтрами 2.1, 2.2 и декарбонизатором Д 2.3 между ними.

Отработанный регенерационный раствор Н-катионитного фильтра 2.1 УХО 2 подается по линии 2.6 на регенерацию H-Na-катионитного фильтра 1.4. В результате слабокислотный катионит переходит в Н-форму, сильноосновный катионит - в Na-форму. Отработанный регенерационный раствор ОН-анионитных фильтра 2.2 ХОУ 2 подается по линии 2.7 на регенерацию Cl-фильтра 1.5. В результате органопоглощающий анионит регенерируется по органике и переходит преимущественно в Cl-форму. В результате проведенных регенераций H-Na-катионитный фильтр 1.4 и Cl-анионитный фильтр 1.5 обеспечивают высокое качество воды, подаваемой на противоточные Н-ОН-катионитные фильтры 2.1,2.2 (см. таблицу).

Билет 14

Как-то там совместно катионируется и анионируется.

Наверное.

Билет 15